CN115199472A - 一种风力发电机组双冗余电控系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风力发电机组双冗余电控系统，包括：数据采集系统，三台PLC控制器以及总线系统，三台PLC控制器分别为风机逻辑控制第一PLC控制器PLC1、风机逻辑控制第二PLC控制器PLC2以及网关PLC控制器；其中，风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器分别置于机舱和塔基中，作为两台互为主备关系的控制器，网关PLC控制器是用于决定主备关系的中间仲裁器以及对PLC1和PLC2进行统一核心调度，由网关PLC控制器通过心跳监测决定风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；在同一时间网关PLC只响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步。还公开了对应的方法、电子设备和计算机可读存储介质。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力技术领域，尤其涉及一种风力发电机组双冗余电控系统及其控制方法。
背景技术
基于PLC的风电主控系统是风电机组安全高效运行的“核心大脑”，目前国内风电电控系统大多基于单台塔基PLC控制器为核心，少数提出双PLC控制器的抢占式风电机组主控冗余系统，现有相关技术方案为基于双PLC控制器的抢占式风电机组主控冗余系统。该风机控制系统主要由两台PLC控制器、IO从站、CANOPEN网关模块、以太网交换机和Profinet网络构成。PLC控制器作为控制系统核心，运行风机控制系统程序，通过EtherCAT通讯协议连接IO从站。IO从站分布在塔底和机舱两个部分，可配置不同类型的输入输出模块，实现不同传感器及执行器的接入。机舱和塔底两部分通过光纤交换机来实现通讯信息交换。主控制器与变桨、变流器之间通过CANOPEN协议实现通讯。根据现有技术的抢占式风电机组主控冗余系统整体结构如图1所示。该主控冗余系统技术方案包括2个PLC控制器，都安装在风机塔底电气控制柜内。它们具有相同的软硬件结构，同时运行相同的主控系统程序。其中，一个作为工作控制器，另一个作为备用控制器。当一个控制器被设为工作状态时，另一个控制器必须为备用状态。工作状态和备用状态可以相互切换。工作控制器和备用控制器之间的数据同步通过通信完成。同步的数据包括过程映像输入、字节寄存器以及风机运行的过程数据。工作控制器在每个运行周期(20ms)内实时将主控系统程序的运行过程数据传给备用控制器，以保证备用控制器和工作控制器之间数据的一致性。当工作控制器发生故障时，备份控制器自动切换为工作控制器，从而实现对风机的控制。图2为根据现有技术的抢占式风电机组主控冗余系统数据切换原理图。
然而，现有技术存在如下缺陷：
1、该主控冗余系统备用控制器的数据获取依赖于工作控制器的数据发送传输，导致备用控制器的数据采集获取时间略滞后于工作控制器，不能保证两个控制器的数据采集输入同步，从而不能严格保证两个PLC控制器的输出状态同步，这会对主控制器切换过程中系统的可靠性和稳定性造成影响；
2、该主控冗余系统的两个PLC控制器都布局在塔底控制柜内，且距离较近，当工作控制器故障时，整个塔底控制系统会处于故障状态和故障环境中，不能保证备用控制器地可靠切换和正确工作状态；且位置布局近的两个PLC控制器不利于对整个风机各系统的全盘控制；
3、双PLC控制器的抢占式风电机组主控冗余系统存在一定的系统安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为解决风电工控系统的安全性和稳定性问题，提出一种风力发电机组机舱塔基双冗余电控系统及其控制方法的技术方案，从而保证风电机组安全可靠运行。
本发明一方面提供了一种风力发电机组双冗余电控系统，包括：数据采集系统，三台PLC控制器以及总线系统，所述三台PLC控制器分别为风机逻辑控制第一PLC控制器PLC1、风机逻辑控制第二PLC控制器PLC2以及网关PLC控制器；其中，所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器分别置于机舱和塔基中，作为两台互为主备关系的控制器，所述网关PLC控制器是用于决定所述主备关系的中间仲裁器以及对所述PLC1和PLC2进行统一核心调度，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；在同一时间只有一个主PLC参与风机的控制，即网关PLC只响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步。
优选的，所述总线系统包括IO总线，数据采集输入全部由网关PLC收集并发送到所述IO总线上，以确保PLC1和PLC2的输入是同步的。
优选的，所述两台互为主备关系的控制器内运行的风机控制程序完全一致。
优选的，所述心跳监测包括：由所述网关PLC采集数字量、模拟量以及通讯数据，按照第一时间间隔将数据发布到总线上，所述第一时间间隔小于主从PLC数据同步周期。
优选的，所述第一时间间隔为5ms，主从PLC数据同步周期为10ms。
优选的，所述总线系统包括双向Modbus TCP同步总线，使得所述两台互为主备关系的控制器的状态同步，其中处于主站状态的PLC需要将自身的状态变量以及过程数据发布到同步总线中去，而从站PLC从同步总线上读取状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，来实现运行状态同步，
本发明的第二方面提供一种风力发电机组双冗余电控系统的控制方法，包括：
S1，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步；
S2，系统上电后，网关PLC首先使得位于塔底的所述PLC1取得主PLC控制权，持续监测所述PLC1的状态是否发生故障，当主PLC1发生故障后，所述网关PLC在30ms内将主PLC切换到位于机舱的所述PLC2，从而实现主从交替，由之前备用的所述PLC2对风机进行控制；
S3，持续监测所述PLC2的状态是否发生故障，当监测到所述PLC2发生故障后，切换回所述PLC1；否则，即使PLC1在发生故障后恢复正常，也由PLC2进行控制而不会切换到PLC1。
作为优选的实施方式，所述S1所述基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步包括：
S11，由网关PLC采集所述数据采集系统的输入并全部发送到所述总线系统，从而保证所述PLC1和所述PLC2的输入同步；
S12，在所述PLC1和所述PLC2内部运行相同的风机控制程序后，由所述网关PLC采集数字量、模拟量以及通讯数据并间隔一定时间将数据发布到所述总线系统，从而由所述网关PLC控制器决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；
S13，设置所述总线系统包括双向Modbus TCP同步总线，处于主站状态的PLC将自身的状态变量以及过程数据发布到所述双向Modbus TCP同步总线中，从站的PLC从所述双向Modbus TCP同步总线上读取所述状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，实现运行状态同步。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第二方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第二方面所述的方法。
本发明提供的方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，具有如下有益的技术效果：
(1)基于机舱、塔基PLC控制器双冗余的风电机组电控系统，提高了风电机组电控系统的安全性、可靠性和稳定性；
(2)解决了风电主控冗余系统两个PLC控制器数据采集、输入输出状态不同步的问题；
(3)减少因控制器故障和通讯方面故障引起的故障停机次数，提高风电机组运行的稳定性和能量可利用率；
4.实现在不影响风机生产的情况下对控制器PLC进行系统维护和软件更新的功能，使风机控制系统更加高效更加智能。
附图说明
图1为根据现有技术的基于双PLC控制器的抢占式风电机组主控冗余系统整体架构图；
图2为根据现有技术的冗余系统数据切换原理图；
图3为根据本发明优选实施例的风力发电机组双冗余电控系统的控制系统拓扑结构图；
图4为根据本发明优选实施例的风力发电机组双冗余电控系统的控制方法主备PLC控制器程序运行状态图；
图5为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图3所示，本实施例提供了一种风力发电机组双冗余电控系统，包括：数据采集系统，三台PLC控制器以及总线系统，所述三台PLC控制器分别为风机逻辑控制第一PLC控制器PLC1、风机逻辑控制第二PLC控制器PLC2以及网关PLC控制器；其中，所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器分别置于机舱和塔基中，作为两台互为主备关系的控制器，所述网关PLC控制器是用于决定所述主备关系的中间仲裁器以及对所述PLC1和PLC2进行统一核心调度。基于两套互为冗余热备PLC的一主一备式机舱塔基双冗余电控方案，可以保证其中一个PLC发生故障后快速切换至另一个PLC，并且保证风机控制状态不变，相比于抢占式的控制器冗余方案更加稳定可靠。
作为优选的实施方式，两个PLC有主用备用之分，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态。在同一时间只有一个主PLC参与风机的控制，即网关PLC只响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步。系统上电后，网关PLC首先让塔底PLC1取得主PLC控制权，当主PLC1发生故障后，网关PLC在30ms内将主PLC切换到机舱PLC2，从而实现主从交替，由之前的备用PLC2对风机进行控制。只有当PLC2发生故障后，才会切换回PLC1。否则，即使PLC1在发生故障后恢复正常，也由PLC2进行控制而不会切换到PLC1。本发明电控系统的拓扑结构图如图3所示。
作为优选的实施方式，对于保证控制器切换过程风机安全平稳运行，是本发明控制器冗余技术的关键。在主站切换动作发生时，为了保证系统的平滑过渡，需要两个主从PLC的输出状态严格同步。本系统中，主从PLC内运行的控制程序完全一致，则系统的输出状态由输入信号和系统自身运行状态决定。
作为优选的实施方式，本优选实施方式的系统中，数据采集输入全部由网关PLC收集并发送到IO总线上，可以保证PLC1和PLC2的输入是同步的。控制系统两个PLC内部运行相同的风机控制程序，程序运行周期为20ms。由仲裁器实现数字量、模拟量以及通讯数据的采集，每5ms将数据发布到总线上，且小于主从PLC数据同步周期10ms。
在保证数据采集输入同步之后，接下来要保证两个PLC的运行状态完全一致即可实现输出同步。于是，本系统中设计了双向Modbus TCP同步总线解决PLC的状态同步问题。处于主站状态的PLC需要将自身的状态变量以及过程数据发布到同步总线中去。而从站PLC从同步总线上读取状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，来实现运行状态同步，如附图2主备PLC程序运行状态图所示。所需要同步的状态变量包括计时器、计数器、风机运行状态、控制参数等。例如，在程序中有一个计数器在不停工作，当计数到35时，处于主站出现问题切出，那么另一台从站PLC切入，并且保证计数器继续正常工作(从35继续往下计数)。如上例中的计数器就是一个状态变量，需要在主从PLC之间进行同步。为保证冗余系统在切换时不发生任何抖动，同步传输的速度显得尤为重要，因此本发明的冗余系统采用Modbus TCP作为数据同步总线，同步时钟被设为2ms，同步数据缓存设为10KB，同步数据分为5部分进行同步，因此总的同步周期为10ms。
实施例二
参见图4，本实施例还提供了一种风力发电机组双冗余电控系统的控制方法，包括：
S1，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步；
S2，系统上电后，网关PLC首先使得位于塔底的所述PLC1取得主PLC控制权，持续监测所述PLC1的状态是否发生故障，当主PLC1发生故障后，所述网关PLC在30ms内将主PLC切换到位于机舱的所述PLC2，从而实现主从交替，由之前备用的所述PLC2对风机进行控制；
S3，持续监测所述PLC2的状态是否发生故障，当监测到所述PLC2发生故障后，切换回所述PLC1；否则，即使PLC1在发生故障后恢复正常，也由PLC2进行控制而不会切换到PLC1。
作为优选的实施方式，所述S1所述基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步包括：
S11，由网关PLC采集所述数据采集系统的输入并全部发送到所述总线系统，从而保证所述PLC1和所述PLC2的输入同步；
S12，在所述PLC1和所述PLC2内部运行相同的风机控制程序后，由所述网关PLC采集数字量、模拟量以及通讯数据并间隔一定时间将数据发布到所述总线系统，从而由所述网关PLC控制器决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；
S13，设置所述总线系统包括双向Modbus TCP同步总线，处于主站状态的PLC将自身的状态变量以及过程数据发布到所述双向Modbus TCP同步总线中，从站的PLC从所述双向Modbus TCP同步总线上读取所述状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，实现运行状态同步。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
如图5所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，包括：数据采集系统，三台PLC控制器以及总线系统，所述三台PLC控制器分别为风机逻辑控制第一PLC控制器PLC1、风机逻辑控制第二PLC控制器PLC2以及网关PLC控制器；其中，所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器分别置于机舱和塔基中，作为两台互为主备关系的控制器，所述网关PLC控制器是用于决定所述主备关系的中间仲裁器以及对所述PLC1和PLC2进行统一核心调度，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；在同一时间只有一个主PLC参与风机的控制，即网关PLC只响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，所述总线系统包括IO总线，数据采集输入全部由网关PLC收集并发送到所述IO总线上，以确保PLC1和PLC2的输入是同步的。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，所述两台互为主备关系的控制器内运行的风机控制程序完全一致。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，所述心跳监测包括：由所述网关PLC采集数字量、模拟量以及通讯数据，按照第一时间间隔将数据发布到总线上，所述第一时间间隔小于主从PLC数据同步周期。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，所述第一时间间隔为5ms，主从PLC数据同步周期为10ms。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组双冗余电控系统，其特征在于，所述总线系统包括双向Modbus TCP同步总线，使得所述两台互为主备关系的控制器的状态同步，其中处于主站状态的PLC需要将自身的状态变量以及过程数据发布到同步总线中去，而从站PLC从同步总线上读取状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，来实现运行状态同步。
7.一种风力发电机组双冗余电控系统的控制方法，基于权利要求1-6任一所述的控制系统实施，其特征在于，包括：
S1，由所述网关PLC控制器通过心跳监测决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步；
S2，系统上电后，网关PLC首先使得位于塔底的所述PLC1取得主PLC控制权，持续监测所述PLC1的状态是否发生故障，当主PLC1发生故障后，所述网关PLC在30ms内将主PLC切换到位于机舱的所述PLC2，从而实现主从交替，由之前备用的所述PLC2对风机进行控制；
S3，持续监测所述PLC2的状态是否发生故障，当监测到所述PLC2发生故障后，切换回所述PLC1；否则，即使PLC1在发生故障后恢复正常，也由PLC2进行控制而不会切换到PLC1。
8.根据权利要求7任一所述的一种风力发电机组双冗余电控系统的控制方法，其特征在于，所述S1所述基于所确定的主PLC和备用PLC，网关PLC响应主PLC的输出指令，而另一个备用PLC通过Modbus TCP通信的方式保持与主PLC状态同步包括：
S11，由网关PLC采集所述数据采集系统的输入并全部发送到所述总线系统，从而保证所述PLC1和所述PLC2的输入同步；
S12，在所述PLC1和所述PLC2内部运行相同的风机控制程序后，由所述网关PLC采集数字量、模拟量以及通讯数据并间隔一定时间将数据发布到所述总线系统，从而由所述网关PLC控制器决定所述风机逻辑控制第一PLC控制器和风机逻辑控制第二PLC控制器的主备用状态；
S13，设置所述总线系统包括双向Modbus TCP同步总线，处于主站状态的PLC将自身的状态变量以及过程数据发布到所述双向Modbus TCP同步总线中，从站的PLC从所述双向Modbus TCP同步总线上读取所述状态变量和过程数据，在逻辑运算前更新自身的运行状态，实现运行状态同步。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求7-8任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求7-8任一所述的方法。
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| Title |
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| 孙佳林，奚玲玲: "3.6MW海上风力发电机组冗余控制技术研究与应用", 装备机械, vol. 150, no. 04, pages 43 - 45 * |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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